PDC钻头反扭矩分析及控制技术

定向滑动钻井时,PDC钻头上产生的反扭矩变化较大,导致工具面控制不稳,影响了钻进的连续性和速度。采用有限元数值模拟技术定量地分析了PDC钻头破岩时产生的扭矩,进一步证实存在较大反扭矩。介绍了Southard钻井技术公司最近研制的一种无反扭矩钻井工具,即行星钻头驱动器。该工具构思巧妙、设计新颖,通过控制定向钻井时PDC钻头上产生的反扭矩及其变化,从而提高钻进效率,具有一定的发展前景。     

扭矩波动系数法监测钻头运行状况

钻头扭矩参数的变化可以反映钻头运行状况,现有的扭矩参数监测方法受扭矩传感器、钻机型号、操作人员等因素影响较大,用设置扭矩门限值的方法监测钻头运行状况,监测效果较差。为此,提出了用监测“扭矩波动系数”代替现有监测扭矩绝对值的方法,并给出其计算模型：通过对现有采集的扭矩参数进行实时数据处理,实时计算测量点扭矩曲线的平均值、扭矩值的标准差,用测量点扭矩值的标准差与扭矩曲线的平均值的比值绘制出“扭矩波动系数”随使用时间的移动曲线,该移动曲线消除了不同扭矩传感器、不同钻机、不同的操作人员所造成的人为影响,更加客观地反映了钻头牙齿、牙轮的实时工作状况。该方法经过现场试验,能更好地预测钻头寿命终结,提高了钻井效率,取得了较好的效果;该方法立足于现有钻头扭矩参数的测量技术,不增加软硬件设备及人员,可在所有的钻井现场推广使用。     

从控制原理看顶驱释放反扭矩的操作

反扭矩释放是钻井过程中要求谨慎处理的一个重要环节,处理不当会产生相当大的危害.文章结合现场操作与顶驱控制系统的设计原理,主要针对顶驱钻井系统释放反扭矩的操作进行了分析.从能耗制动原理与矢量控制着手,给出了电机机械特性曲线和转矩限位功能图,基于这两个图形分析了不堵转和堵转情形下反扭矩产生的原因,给出了正确释放反扭矩的操作要领:先调节钻进扭矩限位旋钮,使扭矩值降低,待扭矩下降并趋于零后,再进行速度归零调节.该方法具有普遍的指导意义.     

反扭矩定向系统研制及试验

现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩,且工具面角不可控。基于此,设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统;研制了反扭矩定向系统样机;利用该样机开展了实钻测试,实钻总进尺57 m,工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m,平均机械钻速约为6.5 m/h(泥岩)。研究表明：研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩;能精确控制工具面角,实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能,验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题,提高弯螺杆滑动导向钻井时效。     

基于Profinet网络的软扭矩控制系统

软扭矩控制系统采用高性能PLC和现场网络总线PROFINET作为主控装置,配以钻机电控系统交流变频装置,结合钻井过程动态参数,完成钻井过程防卡钻、防脱扣以及提高钻井效率等功能,同时该系统也能快速消除钻柱扭转的振动振幅,在钻井过程中保持速度稳定.     

扭矩测试方法研究

钻井过程中扭矩参数的精确测量一直是钻井工程中的一大难题，长期以来人们一直在探索。目前国内外对有关钻柱扭矩测量的方法与研究工作有了较大的进展，但在解决扭矩测量问题方面，仍有一定的难度。为此，对钻柱扭矩测量的国内外发展状况进行了概括介绍，并在此基础上重点介绍了由西南石油学院新近开发的方补心扭矩仪，简介了该仪器的基本构成、测量原理；讨论了通过扭矩的测量来判断扭矩振动的强烈程度。经室内试验及现场应用。证实方补心扭矩仪为直接测量钻柱扭矩提供了一种可靠的保证。     

定向钻井电控式扭矩离合控制工具研制与应用

旋转导向工具由于尺寸大，在钻井过程中井壁不稳定时容易发生卡钻、埋钻等复杂故障，处理难度大，现场应用受到一定限制。针对这种情况，文章研究了一种适用于定向钻进过程中的电控式扭矩离合控制工具。该工具在定向过程中可以将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离，实现上部钻具随钻盘低转速旋转送钻，下部钻具与螺杆工具配合滑动定向钻进。该工具由两部分组成：地面信号下传单元和井下信号接收及离合控制单元。井下信号接收及离合控制单元安放在近钻头位置，地面信号下传单元通过钻井液将信号传递到井下，离合控制单元接收指令后，用电液控制方式执行钻柱扭矩分离与结合动作。该工具使用的关键点是安放位置和反扭矩的控制，通过对下部钻具摩阻扭矩的分析，运用Landmark软件计算工具安放位置，抗反扭矩工具可抵抗并吸收螺杆钻具的反扭矩。现场应用表明，该系统可有效缓解托压，降摩减阻，稳定工具面，提高钻压传递效率，较大幅度提高机械钻速，实现低成本代替旋转导向工具，具有广阔应用前景。     

PDC钻头钻井时扭矩影响因素研究

分析了钻压、每转进尺、切削齿磨损和岩性对ＰＤＣ钻头扭矩的影响，并用力平衡和能量守恒原理推导了ＰＤＣ钻头扭矩与这些因素的关系式，通过钻头台架试验证明ＰＤＣ钻头扭矩模式计算与试验结果相符，可用于指导井下动力钻具选用和设计。     

牙轮钻头工作扭矩的计算机仿真

对牙轮钻头在破岩过程中的受力和运动状态进行分析，建立了牙轮钻头动力学基本方程，研究井底岩与牙轮钻头的相互作用后，建立了钻头结构参数，钻井参数，岩石性质参数与触底齿受力间的近似关系。研制了牙轮工作扭矩的计算机仿真模型和仿真软件，仿真结果与实验数据比较表明了理论研究和仿真模型及软件的正确性和可靠性。     

钻柱摩阻扭矩测试试验装置设计

现有的钻柱摩阻扭矩理论模型假设较多,导致计算值与真实值有较大差异,这严重制约了钻柱力学行为研究和钻井参数的优化。鉴于此,基于相似理论,考虑井斜角和方位角的变化,设计了可模拟不同井身结构的钻柱摩阻扭矩测试试验装置。该装置可有效测量不同钻井参数对钻柱摩阻扭矩的影响,可对任意角度的井斜角、方位角的井身结构的整体钻柱进行模拟。结合运动学和强度分析,验证了试验装置设计合理、安全可行。钻柱摩阻扭矩测试试验装置可用于竖直井、大位移井和水平井钻柱的摩阻扭矩分析、运动学和动力学等方面的研究,也可用于自动化钻井和页岩气开采等相关的科研及教学。     

模拟管柱的扭矩和摩擦阻力

水平井裸眼段完井时,准确地预测完井管柱受到的拉力、挤压力和扭矩极限可以大大降低油井事故的风险,从而达到顺利完井的目的.一种新的模拟软件可以完成对扭矩、阻力以及载荷的计算.     

衡转矩钻井工具研制

PDC钻头在难钻地层钻进时有“憋跳钻”现象严重、钻头机械钻速低、单只钻头进尺低等问题。研制了一种衡转矩钻井工具,该工具采用弹簧+螺旋导向机构的机械传动方式,实时存储、释放钻井转矩能量; 通过对钻头的破岩能量实时优化,实现了钻井转矩波动的“消峰填谷”,平稳钻进。试验结果表明,衡转矩钻井工具设计合理、性能可靠,可满足直井和定向井工程需求,能够有效减少钻井转矩波动、提高钻头进尺及机械钻速。     

作用在抽油机曲柄销上的扭矩问题

断口特征分析、现场受力测试和观察表明，抽油机曲柄销在玻坏时承受较大的扭矩。通过数值计算和理论分析，指出连杆大头与曲柄销轴承座装配不当，存在较大应力，以及曲柄销轴承选择不合理，轴承预期寿命偏低，致使轴承运转不良等，是引起曲柄销承受较大扭矩的主要原因。据此认为，改善曲柄销的装配质量和提高轴承的寿命，是防止曲柄销承受较大扭矩，延长其使用寿命的重要途径。     

特殊螺纹接头扭矩的分析

简要介绍了特殊螺纹接头的基本结构和特殊螺纹接头扭矩计算的重要意义。在试验与有限元分析的基础上,建立了特殊螺纹接头的扭矩计算方法。该方法是将特殊螺纹接头扭矩分成螺纹与台肩两部分,采用不同的摩擦系数对有限元模型计算上扣后对应的螺纹与台肩扭矩。最后验证了该计算方法的可靠性,结果表明,该方法的计算结果与试验结果相吻合,可以用于特殊螺纹接头扭矩的计算与预测。     

接箍拧紧机的扭矩校准

介绍了接箍拧紧机的扭矩测量原理及ZSM-1型电脑扭矩显示器，论述了大量程扭矩校准的方法及技术要求，并提出了此方法所产生误差的原因和消除误差的方法。     

井下工具拆装架主钳转矩测量方法及误差分析

液压拆装架用于井下工具螺纹的上紧和卸扣,转矩的测量和控制是通过主钳来完成.力臂式主钳是由液缸推动传力杆产生转矩,力臂的长度随转角而变,实际测量转矩时是取定长力臂进行计算,因此误差较大.齿轮齿条式主钳是由液缸推动齿条,齿条带动拧扣大齿轮产生转矩,力臂是拧扣大齿轮的节园半径,因此转矩测量误差仅与仪表精度有关.齿轮齿条式主钳实现了转矩的实时测量和控制,测量精度高.     

液动周向扭矩冲击发生器动力学分析

液动周向扭矩冲击发生器是抑制钻井过程中"卡-滑"现象的有效措施。介绍了液动周向扭矩冲击发生器的结构和工作原理,建立了该扭冲器的流道分布模型,计算了其工作过程中各流道的流量,确定了典型零件冲击过程中的运动参数和瞬时冲击载荷,得出了液动周向扭矩冲击发生器的冲击扭矩及旋转频率。试验情况表明,计算结果与实际工况比较接近,这为扭冲器的设计和使用提供了依据。     

扭力冲击器设计与仿真分析

PDC钻头在深部硬地层钻进时存在蹩跳钻现象严重、单只钻头进尺低及机械钻速低等问题。为此,开设了扭力冲击器设计工作,并对工具的水力特性进行了仿真及室内测试。扭力冲击器主要通过水力切换总成、冲击总成及放掉总成实现对钻头的周期性扭矩冲击。流场仿真及室内测试结果表明:扭力冲击器高、低压腔快速切换表明其结构设计合理,能够通过启动锤的快速运动实现冲击锤反复冲击;扭力冲击器能够正常运转并提供稳定的高频扭矩,且启动流量不低于5. 4L/s。所得结论为扭力冲击工具的优化设计及现场应用提供了参考。     

PDC钻头扭矩控制技术分析

PDC钻头在钻遇硬地层时,扭矩波动较大、蹩跳钻现象严重,产生的剧烈振动载荷大幅降低了钻头的使用寿命,并降低了机械钻速。通过对国外先进PDC钻头扭矩控制技术的分析,提出了国内同类技术研究的建议。